W jednym z największych laboratoriów na uczelni – Laboratorium Konstrukcji Budowlanych, które zajmuje spory pawilon przy ul. Katowickiej – prowadzone są nowatorskie badania finansowane przez NCN, mające na celu opracowanie skutecznej metody na diagnozowanie uszkodzeń elementów betonowych. Wszystkim zainteresowanym, a więc codziennym użytkownikom mostów, dróg i budynków, polecamy zapoznanie się z tematem!
O metodzie, która wykorzystuje technikę stosowaną w smartfonach i rakietach opowiada dr inż. Piotr Bońkowski* z Wydziału Budownictwa i Architektury, który prowadzi projekt badań wraz z mgrem inż. Piotrem Bobrą:
– Monitorowanie stanu konstrukcji, znane szerzej jako Structural Health Monitoring (SHM), jest coraz powszechniejszym standardem w przemyśle samochodowym, aeronautyce czy inżynierii budowlanej. Odpowiednio rozmieszczone czujniki monitorują stan elementów konstrukcyjnych, głównie podczas ich drgań i ustalają czy konstrukcja jest ciągle w bezpiecznym zakresie swojej pracy. W przypadku branży budowlanej postęp ten idzie znacznie wolniej i może być widoczny głównie przy wielkich, odpowiedzialnych budowlach (np. most Tsing Ma w Hong Kongu) lub najwyższych budynkach w Japonii, USA, Chin itp.
Monitorowanie stanu konstrukcji stanowi ogromne wyzwanie badawcze związane z rozwiązywaniem trudnych i niejednoznacznych, (tzw. „źle określonych”) zadań odwrotnych, do których należy również wiele innych, trudnych problemów fizyki matematycznej (np. analiza echa radarowego, czy wnioskowanie o budowie wnętrza Ziemi na podstawie sejsmogramów trzęsień ziemi).
Podobnie jest z monitorowaniem stanu konstrukcji budowlanych na podstawie ich drgań. W inżynierii lądowej, szczególnym utrudnieniem jest charakter pracy niektórych materiałów budowlanych takich jak żelbet, który z założenia pracuje jako częściowo uszkodzony w trakcie normalnej eksploatacji i jeszcze na etapie projektowania zakłada się istnienie charakterystycznych dla betonu rys. W takim wypadku monitorować powinno się uśrednioną sztywność jej istotnych elementów (słupów, stropów, ram itp.). Gdy sztywność ta spadnie poniżej akceptowanego poziomu w wyniku huraganu, przejazdu po moście pojazdu o nadmiernym ciężarze, lub w wyniku trzęsienia ziemi, powinny zadziałać urządzenie monitorujące, ostrzegające przed niebezpieczeństwem katastrofy budowlanej.
Potrzeba wiarygodnych metod monitorowania konstrukcji budowlanych będzie narastać ze względu na spadek ciężaru konstrukcji żelbetowych, a co za tym idzie większej podatności na drgania. Spadek ciężaru konstrukcji wynika z wprowadzania coraz lżejszych materiałów o charakterze kompozytowym, w tym ultra-wartościowych betonów o wytrzymałościach 2-3 razy większych niż konwencjonalny beton.
Ze względu na opisane powyżej trudności monitorowania, z natury zarysowanych konstrukcji żelbetowych, metody ich monitorowania podczas drgań wciąż nie są dobrze rozwinięte. Z tego względu stosuje się różne specjalne środki, np. włókna szklane poprzez wykorzystanie efektu Brillouina, zatopione w beton czujniki itp.
Konieczny jest rozwój nowych metodologii monitorowania konstrukcji z betonów wysoko wartościowych – ze szczególnym naciskiem na metody wiarygodne i proste do stosowania w praktyce. W niniejszym projekcie przeprowadzono badania wykorzystujące metodologię rekonstruowania rozkładów sztywności belek żelbetowych poprzez pomiary rotacji ich osi. Wykorzystanie czujników rotacyjnych spotykanych obecnie powszechnie np. w smartfonach, a także w aeronautyce i technice rakietowej może się okazać szczególnie efektywne także w dynamice konstrukcji budowlanych. Współczesne, bardzo dokładne czujniki rotacyjne mogą w znacznie lepszy sposób diagnozować stan zginanej, zarysowanej konstrukcji niż tradycyjne akcelerografy czy tensometry.
W ramach zrealizowanych badań zakupiono dwie belki z betonu wysokowartościowego. Na belkach umieszczono czujniki rotacyjne w kilku kluczowych miejscach oraz inne tradycyjne przyrządy pomiarowe (np. akceleretometry, czy ekstensometry), które pozwalają na zweryfikowanie proponowanej nowej metody monitorowania sztywności belek.
Belki zostały poddane zginaniu w taki sposób, aby wywołać uszkodzenia belek w ściśle określonych obszarach. Obciążenie stopniowo zwiększano w celu wywołania danego poziomu uszkodzenia (przeprowadzono kilka etapów weryfikacji uszkodzeń od belki nieuszkodzonej do powstania przegubu plastycznego). Na każdym etapie uszkodzenia belki zostały poddane analizom dynamicznym (drgań harmonicznych i swobodnych). Działania te mają na celu zrekonstruowanie, przy użyciu algorytmów genetycznych i optymalizacyjnych, poziomu uszkodzeń belki i ich przybliżonej lokalizacji. W efekcie przeprowadzi się weryfikację efektywności, nowej, stosunkowo prostej metody monitorowania stanu trudnych do diagnostyki dynamicznej konstrukcji żelbetowych. Pierwsze, wstępne wyniki analiz wykazały możliwość wykorzystania czujników rotacyjnych do poszukiwania uszkodzeń w elementach UHPC. Stanowi to istotne novum w dziedzinie monitorowania stanu konstrukcji budowlanych.
W obliczu szybkiego rozwoju czujników i technik SHM badania te mogą znacząco wpłynąć na rozwój dyscypliny inżynierii lądowej i transportu, szczególnie w obszarze poprawy bezpieczeństwa społeczeństwa, pomagając lepiej implementować nowoczesne technologie informatyczne w budownictwie.
* Dr inż. Piotr Bońkowski jest młodym, dynamicznie rozwijającym się naukowcem – w 2018 r., w zaledwie 3 lata po ukończeniu studiów magisterskich obronił pracę doktorską z zakresu inżynierii sejsmicznej. Mimo krótkiego stażu w pracy naukowej ma na swoim koncie publikacje w uznanych międzynarodowych czasopismach.
Przy okazji zachęcamy do zapoznania się z ofertą kształcenia na Wydziale Budownictwa i Architektury: